Multi-mode morphing of pneumatic soft actuators using strain hardening or phase transition

Abstract

본 연구에서는 엘라스토머 재질로 둘러싸인 채널인 뉴-넷을 이용하여 다중 모드 변형이 가능한 소프트 시스템을 개발하였다. 시스템에 연속체 물성 제어 기술 연구를 진행하였고, 하나의 공압 입력으로 두 번 이상 변형할 수 있는 다중 모드 시스템을 엘라스토머의 변형 경화와 상전이를 이용하여 강성을 조절할 수 있는 메커니즘을 규명하였다.

먼저, 엘라스토머의 변형 경화를 이용하여 강성을 조절할 수 있고, 이 현상을 이용하여 다중 모드 모핑이 가능한 조건을 실험적으로 규명하였다. 뉴-넷 채널의 두께와 면적, 재질을 조절해 한 공압 파이프로 두 가지 이상의 변형을 만들어낼 수 있다는 결과를 보였다. 연속체 물성의 성질을 젠트 이론으로 모델링해 이중 변형이 가능하다는 것을 이론적으로 해석하였다. 이 개념을 이용하여 굽힘-굽힘, 팽창-굽힘, 굽힘-회전 운동이 가능한 로봇을 만들었다. 이 시스템을 이용해 두 가지 크기의 물건을 각각 다른 압력에 집을 수 있는 소프트 그리퍼를 만들고, 내용물이 든 유리병 입구를 폐쇄하고 들어 올리거나, 전구를 잡고 돌려서 킬 수 있는 운동을 보였다. 본 연구는 하나의 공압 파이프로만 다중 모드 변형이 가능한 시스템을 제작하는 방법을 제시하였다는 점에서 의의가 있다.

다음으로, 액체-고체의 상전이를 이용하여 재프로그램이 가능한 뉴-넷 시스템을 개발하였다. 뉴-넷 윗 벽에 강성을 제어할 수 있는 레이어를 넣어 액체를 체워 다중층 뉴-넷을 만들었다. 액체는 강성이 없고, 고체는 강성이 있다는 점을 활용해 무수히 많은 변형을 할 수 있는 뉴-넷 시스템을 개발하였다. 강성을 제어하는 다중층에 고체가 들어가 강성을 줄 수 있다는 현상을 빔 이론을 이용하여 규명하였다. 외부 열로 인해 픽셀 단위로 나누어진 시스템을 극부적으로 고체로 채워진 픽셀을 액체로 녹이면, 녹인 디자인에 따라 변형이 달라지는 것을 실험적으로 보였다. 본 연구는 제어하기 쉬운 하나의 공압 파이프로만 무수히 많은 변형을 만들 수 있는 시스템을 개발하였다는 점에서 의의가 있다.

Soft actuators provide an attractive means for locomotion, gripping, and deployment of those machines and robots used in the fields of biomedicine, wearable electronics and automated manufacturing. In this study, we focus on the shape-morphing ability of soft actuators made of pneumatic networks (pneu-net), which are easy to fabricate with inexpensive elastomers and to actuate using air pressure. As most of pneu-net systems morph into a single designated state, achieving multi-mode morphing has signified multiple inputs of air pressure, making the system highly complex and hard to control. We introduce two pneumatic systems capable of multi-mode morphing using only a single input pressure.

First, we show that by combining pneu-net modules of different materials and geometry, while harnessing the strain-hardening characteristics of elastomers to prevent over-inflation, we can achieve sequential multi-mode morphing. We provide a theoretical framework to not only predict the shape evolution of pneu-nets as pressure increases, but also design them to sequentially bend, stretch, and twist at distinct pressures. We also show that exploiting the strain-hardening effect and using our design strategy enables a single pneu-net device to carry out multiple functions such as grabbing and turning a light bulb, or holding and lifting a jar.

Second, by embedding a stiffness programmable layer (SPL) into the top wall of a pneu-net, we develop a multi-mode morphing pneu-net using the stiffness difference of solids and liquids by using phase-transition. We first use theoretical analysis of a trilayer beam where the top and bottom beams are made of elastomer. By changing the material in the middle layer (gas, liquid, solid), we show how the effective stiffness changes. For fluids, the middle layer has minimal effect on the effective stiffness of the structure, whereas solids greatly increase the effective stiffness. Then, we experimentally show for a unit cell with an embedded SPL that air and water encapsulated in the SPL can easily deform, whereas ice encapsulated in the SPL can resist deformation at the same pressure. We then proceed to show applications of our idea to achieve multi-mode morphing through using different liquids by using a capillary burst valve to show different designs depending on the liquid's surface tension. Then, we show a cylindrical multi-mode morphing device capable of bending, stretching and forming into different shapes such as a dumbbell. Finally, we show an environmentally-responsive pixelated pneu-net which uses environmental heat to melt specific regions to liquid which enables us to show different shapes and letters when actuated.